7.8.Контрольные вопросы

8.УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

8.1.Основные понятия

Усилитель мощности (мощный усилительный каскад) (УМ) – усилитель, на- значение которого состоит в обеспечении на заданной нагрузке при допустимых час- тотных и нелинейных искажениях требуемого уровня мощности, соизмеримого с мощностью, потребляемой от источника питания. Поскольку выходная мощность лежит в диапазоне от единиц до десятков – сотен ватт, то УМ должны иметь высокое значение коэффициента полезного действия (КПД).

При больших значениях выходной мощности, а значит, и мощности, рассеи- ваемой на самом электронном приборе, мгновенные значения токов и напряжений соизмеримы с их максимально допустимыми значениями. При этом рабочая точка может заходить на нелинейные участки ВАХ транзистора, что приводит к отличию формы выходного сигнала по сравнению с формой входного. Изменение формы сигнала при его прохождении через устройство называется нелинейными искаже- ниями. Нелинейности характеристик других приборов, используемых в усилителях, таких как трансформаторы, полупроводниковые диоды и конденсаторы, также при- водят к нелинейным искажениям.

Анализ основных соотношений для УМ обычно проводится с использо-

ванием выходных характеристик транзистора и его максимально допустимых параметров, к которым относятся мощность, рассеиваемая коллектором PК max ,

напряжение коллектор – эмиттер UКЭ max , ток коллектора IК max . На рис. 8.1 показана область допустимых режимов работы БТ на семействе выходных ха- рактеристик в схеме с ОЭ, ограниченная параметрами UКЭ max , IК max и

С учетом соотношений (8.2) – (8.4) рабочая точка БТ не должна выходить за границы области, имеющей на рис. 8.1 двойную штриховку.

При выборе схемы для построения УМ и проектировании основное вни- мание уделяется повышению КПД и уменьшению нелинейных искажений.

Поскольку изменение формы сигнала приводит к появлению в его спек- тре высокочастотных составляющих, то оценку нелинейных искажений прово- дят с помощью коэффициента гармоник, который определяется следующим выражением:

где Un m , Pn (n ³ 2 ) – амплитудные значения и мощность соответственно по-

являющихся высших гармонических составляющих выходного сигнала; U1m , P1 – амплитуда и мощность соответственно основной гармоники выход-

ного сигнала.

Обычно коэффициент гармоник выражают в процентах и не допускают, чтобы он превышал 5–10 %, причем при высококачественном усилении звуко- вых колебаний он не должен превышать 0,5 %.

8.2. Согласование усилителя с нагрузкой

Вопрос повышения КПД УМ тесно связан с вопросом согласования усили- теля с нагрузкой. Поскольку любой усилитель можно рассматривать как реаль- ный источник напряжения с действующим напряжением Eг и внутренним со-

противлением Rг , то необходимо выяснить, при каком соотношении между со- противлениями источника Rг и нагрузки RН в нагрузку будет отдаваться мак-

симальная мощность.

Данная задача иллюстрируется схемой, показанной на рис. 8.2. Мощ- ность, отдаваемая в нагрузку, определяется выражением

Анализ (8.9) позволяет сделать вывод, что зависимость Pн = f (RН ) носит

экстремальный характер: существует оптимальное значение сопротивления на- грузки RНО , при котором мощность в нагрузке будет иметь максимальное зна-

чение Pн maх , как показано на рис. 8.3. Оптимальное значение сопротивления

и является искомым оптимальным значением.

Подстановка (8.10) в (8.9) дает максимальное значение мощности нагрузки

Поскольку мощность, потребляемая от идеального источника напряжения Eс , определяется выражением

то Pн maх = 0,5Pг . Мощность источника напряжения делится поровну между на- грузкой и его внутренним сопротивлением.

Вывод. Для передачи максимальной мощности от реального источника напряжения в нагрузку сопротивление нагрузки должны быть равно внутрен- нему сопротивлению источника, при этом мощность идеального источника де- лится поровну между внутренним сопротивлением и нагрузкой.

Проведенный анализ позволяет определить требования к схеме включе- ния БТ в УМ с точки зрения согласования. Поскольку сопротивление нагрузки УМ небольшое – единицы ом, то БТ в УМ должен использоваться в схеме включения с ОК, которая обеспечивает минимальное значение выходного со- противления усилителя. При использовании транзистора с ОЭ для согласования высокого выходного сопротивления транзистора с низкоомной нагрузкой в вы- ходную цепь УМ необходимо включать трансформатор.

8.3. Режимы работы активного элемента в усилителях мощности

Различают следующие основные режимы работы активного элемента (АЭ) в УМ – режимы А, В, АВ и С. Эти режимы работы различаются положением точки покоя на сквозной динамической характеристике усилителя (зависимости Iвых = f (Uвх )), показанной на рис. 8.4, соотношением между амплитудой выход-

ного тока и значением выходного тока в точке покоя, а следовательно, значениями КПД и коэффициента гармоник. При рассмотрении режимов работы АЭ исполь- зуется такое понятие, как угол отсечки, представляющий собой половину части периода усиливаемого сигнала, в течение которого транзистор открыт и через него протекает ток.

В режиме А точка покоя (точка А на рис. 8.4)

выбирается на середине прямолинейного участка сквозной динамической характеристики. Выходной сигнал практически повторяет форму входного сиг- нала при относительно небольшой величине послед- него. Нелинейные искажения при этом минимальны, KГ ≤ 1 % . Ток в выходной цепи существует в тече-

ние всего периода входного сигнала, значит, угол от- сечки θ =180° . При этом среднее значение выходно- го тока велико по сравнению амплитудой его пере- менной составляющей.

Принципиальная схема простейшего усилителя, в котором транзистор рабо- тает в режиме А, представлена на рис. 6.1, а семейства выходных и входных харак- теристик БТ, поясняющие его работу, на рис. 8.5, а и 8.5, б соответственно.

Рис. 8.5

КПД усилителя определяется как отношение мощности, отдаваемой в на- грузку (выходной мощности), к мощности, потребляемой от источника пита- ния, выраженное в процентах. Определим максимально возможный КПД уси- лителя мощности, работающего в режиме класса А.

В случае усиления гармонического сигнала выходная мощность опреде- ляется выражением:

где Uкэ m , Iк m – амплитуды выходного напряжения (коллектор – эмиттер) и первой гармоники выходного тока (коллектора). Мощность, потребляемая от

источника питания, определяется произведением напряжения UИП и постоян- ной составляющей тока коллектора IК 0 :

Тогда для максимального КПД коллекторной цепи (без учета потребле- ния энергии по цепи базы) получим

hA max = 1 × Uкэ m ×× Iк m ×100 % = 0,5×x× g ×100 % , (8.15) 2 UИП IК 0

где x = Uкэ m UИП – коэффициент использования напряжения источника пи-

тания; γ – коэффициент, который отражает отношение амплитуды первой гармони- ки коллекторного тока к величине его постоянной составляющей. Очевидно, что максимальное значение КПД hA max =100 % можно получить, если ξγ = 2 .

Однако при максимальном использовании нагрузочной прямой

hA max = 0,5×0,5×1×100 % = 25 % .

В реальных усилителях рабочий участок нагрузочной прямой ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный КПД усилителя будет еще меньше hA max < 25 % .

Увеличить КПД в режиме класса А мож- но путем увеличения коэффициента использо- вания напряжения источника питания ξ, на- пример, увеличив амплитуду выходного на- пряжения за счет использования трансформа- торного включения нагрузки, как показано в схеме усилителя на рис. 8.6. В этой схеме по-

стоянный ток коллектора протекает только по первичной обмотке трансформатора, которая

имеет очень малое омическое сопротивление (сопротивление постоянному току) по сравне- нию с индуктивным (сопротивлением пере-

менному току). В этом случае максимальная амплитуда коллекторного напря- жения может в идеале иметь значение, равное напряжению питания UИП , т.е.

коэффициент использования напряжения источника питания ξ =1, и макси-

мальный КПД при такой идеализации hA max = 0,5×1×1×100 % = 50 %.

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения коэффи- циента γ , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Практической реализацией такого способа являются ис-

пользование режима В, при котором точка покоя (точка В на рис. 8.4) выбирает- ся так, чтобы ток через АЭ протекал только в течение половины периода входного сигнала, θ = 90° . Ток покоя при этом близок к нулю, и форма выходного тока сильно отличается от входного. Это приводит к увеличению КПД по сравнению с режимом А, но также увеличиваются и нелинейные искажения, KГ ³10 % . В

этом случае АЭ усиливает только одну полуволну входного сигнала, а для усиле- ния другой полуволны используют еще один транзистор, работающий в противо- фазе. Такой усилитель называется двухтактным.

Схема простейшего трансформаторного двух- тактного усилителя пока- зана на рис. 8.7. Противо- фазное управление транзи- сторами достигается бла- годаря подаче на базы на- пряжений с разных поло-

вин вторичной обмотки трансформатора Т1. Тран- зисторы работают поочередно, каждый пропускает полуволну тока в соответст-

вующий полупериод входного колебания. В другую полуволну он заперт, и ток от источника питания не потребляет. Напряжения коллектор – эмиттер транзи- сторов имеют как постоянные, так и переменные составляющие. Последние яв- ляются взаимно противофазными.

Для определения максимального КПД выходных цепей транзисторов (без учета КПД трансформатора) в режиме В при гармоническом входном сигнале найдем среднее значение суммарного тока плеч, потребляемого от источника. Поскольку суммарный для двух плеч ток источника питания имеет форму од- нополярных полуволн коллекторных токов синусоидальной формы с амплиту- дой Iк m , то его среднее значение определяется средним за полпериода значе-

нием синусоидальной функции с амплитудой Iк m :

Поскольку коэффициент использования напряжения питания в трансфор- маторной схеме в идеальном случае ξ =1, то

hB max = (p4)×100 % = 78,5 %.

С учетом остаточных напряжений на транзисторах UКЭ нас КПД будет ниже.

Существенным недостатком двухтактного УМ является работа БТ на нели- нейных начальных участках сквозных характеристик, т.е. в течение части периода входного сигнала оба транзистора оказываются закрытыми. В форме выходного на-